안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. A form의 DNA가 B form의 DNA보다 직경이 넓은 이유는?
DNA의 A형(A form)과 B형(B form)은 둘 다 이중나선(double helix) 구조이지만, 수분 함량과 같은 주변 환경에 따라 구조적인 차이를 보이는데요, 우선 생체 안정형의 B형 DNA는 우리가 흔히 알고 있는 왓슨–크릭 모델의 DNA 구조로 수분이 충분한 환경에서 안정하며 약 2.0 nm의 직경을 가지고 있습니다. 이때 염기쌍은 나선축에 거의 수직으로 배열되어 있으며 골격은 상대적으로 늘씬하게 나선축 가까이에 위치합니다. 반면에 A형의 DNA는 수분이 부족할 때 나타나는 DNA의 형태인데요 약 2.6 nm의 직경을 갖기 때문에 B형보다 넓으며 염기쌍이 나선축에 대해 ~20° 정도 기울어져 있습니다. 또한 당-인산 골격이 더 바깥쪽으로 밀려나 있어 나선 전체가 두툼해지는데요, 당 구조도 B형의 C2′-endo에서 A형은 C3′-endo로 바뀌어, 골격의 공간 배치가 달라집니다. 감사합니다.
화학
Q. 혼성에서 sp로 갈수록 전기음성적인 이유는 무엇인가요?
탄소의 혼성 오비탈(sp³, sp², sp)에서 s-오비탈의 비율이 높아질수록 전기음성도가 커진다는 것은, 결국 전자 구름이 원자핵에 더 가까워지기 때문인데요, 우선 sp³ 오비탈의 경우에는 25% s + 75% p이기 때문에 s 비율이 가장 낮습니다. 하지만 sp 오비탈의 경우에는 50% s + 50% p이기 때문에 s 비율이 가장 높습니다. 즉, sp 혼성 오비탈의 전자 밀도는 sp³에 비해 더 s-오비탈 성격이 강해 원자핵에 가까이 분포합니다.이때 전기음성도란, 원자가 공유 전자쌍을 끌어당기는 능력인데요 s-오비탈 전자는 p-오비탈 전자보다 평균적으로 원자핵에 더 가까운 궤도에 존재합니다. 따라서 혼성 오비탈에서 s 성분이 많을수록 전자가 원자핵에 더 강하게 끌려, 결과적으로 그 원자가 공유 전자쌍을 더 강하게 당기려는 성질이 나타나며 이 효과 때문에 sp³
화학
Q. 이온결합과 공유 결합은 어떤 원리에서 차이가 나는 것인가요?
네, 말씀하신 것처럼 이온결합과 공유결합은 사실 완전히 독립된 두 개의 결합이 아니라 전자가 어느 쪽 원자에 더 많이 치우쳐 있는가에 따라 연속적인 스펙트럼으로 나타나는 것이라고 볼 수 있는데요, 우선 이온결합은 전기음성도의 차이가 매우 큰 경우(보통 Δχ > 1.7 정도), 전자가 거의 완전히 한쪽 원자에 넘어갑니다. 예를 들어서 NaCl에서는 Na가 3s¹ 전자를 완전히 Cl에 주고, Na⁺와 Cl⁻로 전하가 분리된 상태가 형성되는데요 따라서 결합은 정전기적 인력에 의해 유지됩니다.반면에 공유결합은 전기음성도의 차이가 작을 경우, 원자들이 전자쌍을 공유하여 결합하며 예를 들어서 H₂ 분자는 두 개의 H가 각각 1s¹ 전자를 내어놓아 전자쌍을 공유하고, 두 핵 사이에서 전자가 밀집해 결합을 형성하는데요, 결합의 본질은 원자 궤도의 중첩과 전자쌍 공유입니다.전자배치적인 관점에서 말씀드리자면 이온결합은 한 원자는 전자 껍질을 채우기 위해 전자를 받고(Cl → 3p⁵ → 3p⁶ 완전 채움), 다른 원자는 외곽 전자를 잃어 안정된 전자 배치를 가집니다(Na → 3s¹ 잃고 Ne와 같은 전자배치). 즉, 결합이 형성되면서 두 원자가 각각 안정된 전자배치를 얻는 것이 목표입니다. 반면에 공유결합은 전자를 완전히 주고받을 수 없을 때, 서로 전자를 공유하여 둘 다 옥텟규칙을 만족하려 합니다. 예컨대 산소 분자(O₂)는 각각 6개의 전자를 가져서 2쌍의 전자를 공유함으로써 옥텟 규칙을 만족합니다. 실제로 많은 결합은 순수하게 이온성 또는 순수하게 공유성이 아닌데요, 따라서 화학 결합을 구분할 때에는 “정전기적 인력이 지배적이면 이온결합”, “전자 공유가 지배적이면 공유결합”이라고 이해하시면 될 것 같습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 취약X증후군과 헌팅턴무도병이 세대가 지날수록 조기발병하는 이유는?
네, 말씀해주신 것처럼 취약 X 증후군과 헌팅턴 무도병은 모두 삼핵산 반복서열에 의해 발생하는 대표적인 유전질환인데요, 이 질환들이 세대를 거듭할수록 더 이른 나이에 발병하고 증상이 심해지는 현상을 유전적 기대현상이라고 부릅니다. 정상 유전자는 특정 염기서열이 여러 번 반복된 구간을 포함하는데요, 하지만 이 반복 서열은 DNA 복제 과정에서 미끄러짐 현상 때문에 불안정합니다. 복제가 진행될수록 반복 수가 점점 늘어날 수 있고, 특정 임계치를 넘으면 단백질 기능 이상이나 발현 이상이 발생하는데요, 취약 X 증후군은 FMR1 유전자의 CGG 반복이 비정상적으로 늘어나면서 메틸화에 의해 발현이 억제되면서 지적 장애, 발달 지연이 나타난 경우입니다. 다음으로 헌팅턴 무도병은 HTT 유전자의 CAG 반복이 늘어나면서 폴리글루타민 사슬이 과다해지면서 단백질 응집과 신경세포 독성이 나타난 경우입니다.부모로부터 자녀에게 유전될 때, 이미 불안정하게 늘어난 반복 서열이 다시 복제 과정에서 더 쉽게 확장되는데요 즉, 자녀 세대에서는 더 긴 반복 구간을 가지게 되고, 이는 단백질 기능 이상을 더 빨리, 더 심하게 유발하게 되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 봄베이혈액형이 발생하는 원리는 무엇인가요?
네, 사람의 ABO 혈액형은 적혈구 표면에 A 항원 또는 B 항원이 존재하느냐에 따라 결정되는데요 그런데 A와 B 항원이 세포 표면에 자리 잡으려면 전구체가 먼저 필요합니다. 이 틀은 H 항원이라고 불리며, H 유전자(FUT1 유전자) 가 작동하여 만들어지는데요 즉 O형은 H항원만 있는 경우이고, A형은 H항원에 A당이 붙은 경우이고, B형은 H항원에 B당이 붙은 경우이고, AB형은 H항원에 A당과 B당이 붙은 경우입니다.이때 봄베이 혈액형은 H 유전자(FUT1) 에 돌연변이가 생겨 H 항원이 아예 만들어지지 않는 경우인데요, 따라서 A 유전자나 B 유전자가 있어도, 붙을 자리가 없으므로 실제 적혈구 표면에는 A나 B 항원이 발현되지 않습니다. 결과적으로 유전자형은 A, B, 혹은 AB일 수 있지만, 표현형은 O형처럼 보이는 것입니다. 또한 보통 O형은 항-A, 항-B 항체만 혈청에 존재하는데요 그런데 봄베이 혈액형(hh)은 H 항원 자체도 없기 때문에 따라서 혈청에 항-H 항체까지 존재합니다. 그래서 일반적인 O형 혈액을 수혈받아도, 그 속의 H 항원 때문에 강한 면역반응(용혈반응) 이 일어나며 결국 봄베이형은 같은 봄베이형 사람의 혈액만 수혈이 가능합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 단엽과 복엽의 기능적 차이는 무엇안가요
단엽과 복엽은 겉보기 구조만 다른 것이 아니라, 실제로 환경 적응과 기능적인 차이를 가지고 있는데요, 우선 단엽은 하나의 잎몸이 하나의 잎자루에 붙어 있는 경우이며, 복엽은 하나의 잎자루에 여러 개의 작은 잎이 붙어 있는 경우입니다. 이때 열 조절 및 광합성 효율의 측면에서 복엽은 잎이 분할되어 있어 공기 흐름이 잘 통하고, 열을 쉽게 방출하기 때문에 고온, 건조한 환경에서 유리하며 단엽은 넓은 잎으로 많은 빛을 한 번에 받아들일 수 있어, 광합성 효율이 높기 때문에 비교적 습윤하고 빛이 충분한 환경에 적합합니다. 또한 단엽은 한 장이 손상되면 광합성 손실이 크지만 복엽은 일부 소엽이 손상되어도 전체 기능이 유지되기 때문에 해충, 바람 피해에 유리합니다. 또한 질문 주신 것처럼 호흡은 세포 내 효소가 매개하는 대사 과정인데요, 온도가 올라가면 효소의 활성도가 증가하여 대사 속도가 빨라지고, 이에 따라 호흡 속도도 증가합니다. 그러나 적정 온도를 넘어서면 효소가 변성되어 오히려 호흡이 급격히 떨어집니다. 즉, 일정 범위까지는 온도가 증가함에 따라서 호흡도 증가하지만, 너무 높아지면 세포가 손상되어 호흡 능력이 저하됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 곤충은 달콤한 음식에 붙에서 즙을 먹나요? 아니면 씹어먹는 것인가요?
곤충이 달콤한 음식에 붙는 이유와 실제 먹는 방식은 곤충의 입 구조에 따라 달라지는데요, 곤충은 사람처럼 치아가 있는 것이 아니라, 종에 따라 특화된 입기관을 가지고 있어서 먹는 방식이 다르다고 할 수 있습니다. 파리류는 씹는 이빨이 아니라, 스폰지처럼 생긴 입을 가지고 있는데요, 고체 음식을 직접 씹어 먹지는 못하지만 대신 침을 분비해 고체를 녹여 액체로 만든 후 빨아들이며 따라서 초콜릿, 설탕 덩어리 같은 것도 표면을 녹여 액체로 바꾼 뒤 흡수할 수 있습니다. 개미와 같은 경우에는 잘 발달한 턱을 가지고 있는데요, 고체를 실제로 씹을 수는 있지만 소화는 제한적이라, 단맛 나는 액체를 더 잘 먹으며, 고체 음식은 잘라내어 둥지로 가져가거나, 일부는 으깬 후 즙을 빨아먹기도 합니다. 다음으로 나비나 나방은 길게 말린 빨대와 같은 흡관을 가지고 있으며, 액체만 흡수 가능하기 때문에 꽃꿀, 쥬스 등은 먹을 수 있지만, 초콜릿 같은 고체는 먹지 못합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 고양이종 중에서 메인쿤은 어떤 이유로 몸집이 커진건가요?
말씀해주신 것처럼 메인쿤은 고양이 중에서도 덩치가 크고 근육질인 대표적인 품종인데, 이것은 단순히 집고양이가 갑자기 진화해서 커진 것이 아니라, 북미 동북부의 환경 조건과 인간의 선택적 교배가 함께 작용한 결과라고 볼 수 있습니다. 우선 메인쿤은 이름 그대로 미국 메인주에서 자연 발생적으로 형성된 토종 고양이 품종인데요 메인주는 겨울이 길고 춥고, 눈이 많이 오는 지역입니다. 이런 기후에서 살아남기 위해 체온 손실을 줄이고, 추운 환경에서도 사냥할 수 있는 체형이 필요했습니다. 이때 체표면적 대비 체적이 크면 열 손실이 줄어드는데요 따라서 메인쿤의 커다란 체구는 북미의 한랭한 기후에서 살아남는 데 유리했습니다. 초기 메인쿤은 농장에서 쥐, 작은 포유류 등을 잡는 일에 쓰였는데요, 큰 체구와 강한 발톱, 힘 있는 뒷다리는 사냥 능력을 강화했습니다. 또한 초기에는 자연선택으로 큰 개체가 살아남았고, 이후 인간들이 이러한 큰 체구와 우아한 외모를 선호하면서 선택적 교배가 이루어져 현재의 대형 품종으로 정착했습니다. 감사합니다.
화학
Q. 유기화학 구조를 피셔투영법으로 그렸을 때 장점은 무엇이 있나요?
피셔 투영법(Fischer projection)은 특히 카이랄 탄소가 있는 분자, 즉 입체화학을 가진 유기화합물을 표현할 때 유용한 방법인데요, 이는 2차원적 도형으로 3차원을 표현하는 방식입니다. 수직선은 뒤쪽을 향하는 결합을 의미하며, 수평선은 앞쪽으로 튀어나온 결합을 의미합니다. 이와 같은 피셔투영법의 장점으로는 구조 인식이 쉽다는 것이 있는데요, 여러 카이랄 탄소를 가진 분자에서도 R/S 구분 없이 D/L 또는 좌우 구조 비교 가능하며 예를 들어서 당류(포도당, 갈락토오스)와 같은 다중 카이랄 탄소 분자의 D/L 이성질체 쉽게 구별 가능합니다. 또한 뉴먼 투영법, 쐐기-대쉬법처럼 3차원 공간을 그릴 필요가 없으며 수평/수직 방향만으로 카이랄 탄소의 상대적 배치 표현 가능하다는 장점도 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 이중결합과 단일결합이 반복되면 흡광도가 증가하는 이유는?
말씀해주신 것처럼 단일결합과 이중결합이 연속적으로 번갈아 존재하는 구조에서는 π 전자가 여러 이중결합 사이에서 자유롭게 이동하면서 비편재화됩니다. 비편재화된 구조의 π 전자는 에너지 준위가 서로 근접한 여러 분자 껍질에 존재하게 되는데요, 이는 전자가 상위 에너지 준위로 쉽게 들뜰 수 있음을 의미합니다. 즉 이러한 비편재화된 구조가 증가할 수록 π→π* 전이 에너지가 낮아지게 되며, 따라서 가시광선이나 자외선에서 흡수 가능합니다. 결론적으로 이중결합과 단일결합이 반복되면 전자 구름이 넓게 퍼져서 광자를 흡수할 확률이 커지게 되고, 따라서 핵산이나 방향족 아미노산처럼 공액 구조를 가진 분자는 UV에서 높은 흡광도를 나타내는 것입니다. 감사합니다.